草莓懸掛追光式立體栽培系統的設計與應用

任杰 高承才 楊平 孫修東 謝錦平*

（1 上海農林職業技術學院，上海 201699；2 上海華維可控農業科技集團股份有限公司，上海 201505）*為通信作者

立體栽培是通過栽培架或栽培管道、懸掛等形式按垂直梯度進行的分層栽培，該技術可充分利用溫室的空間和太陽能，適用于低矮作物種植[1]。近年來，立體栽培作為一種新興的栽培形式，在草莓生產中得到了廣泛應用（目前，草莓立體栽培模式較多，可分為吊柱式、高低架式、A 字形或X 形架式、日光溫室后墻式、懸掛式架空栽培等[2-3]），且取得了較好的栽培效果（研究表明，草莓立體栽培與常規地面栽培相比，其栽培密度可提高 25%以上，土地利用率提高3～5倍，單位面積產量提高2～3倍，且草莓立體栽培在病蟲害防治、環境精準控制、田間作業便捷性、栽培效果觀賞性等方面具有獨特優勢[4-5]）。

目前，關于草莓立體栽培模式的研究已有較多報道，研究內容主要圍繞立體栽培設施的設計與應用、立體栽培下的環境因子分析以及配套栽培技術總結等。例如，胡福生等[6]設計了一種移動式草莓人工光立體種植裝置，進一步提升了普通雙層H 形架立體栽培槽的空間利用率和光照條件；陳一飛等[7]設計了一種電動式草莓立體栽培機構和配套智能控制系統，可綜合考慮采光、通風、溫度、濕度等，實現了對普通三層栽培架的智能控制；王春玲等[8]將固定式A 字型栽培架在添加轉動和控制部件后，使其以“追日”的方式進行運動，實現了栽培架行向與太陽光照射方向平行，最大限度地利用了直射光，有效改善了A 字形栽培架的光溫環境，相比于固定式栽培架，草莓每667 m2產量提高了214.8 kg。

總結以往的研究，關于草莓立體栽培的生產應用和相關研究主要集中在固定式的栽培架或栽培槽模式，特別是A 字形和H 形栽培架，而對于懸掛式栽培的研究相對較少。相比于其他立體栽培形式，草莓懸掛式立體栽培對垂直空間的利用率更高[9]，且栽培槽高度錯落排布，形成了“天瀑”造型，這不僅提高了整體栽培效果，而且解放了溫室下層空間，便于農事操作。在此背景下，為了進一步提高懸掛式立體栽培系統的光照利用率，改善草莓立體栽培系統的光照環境，從而提高草莓產量和品質，筆者特在可升降懸掛式栽培系統的基礎上，設計了草莓懸掛追光式立體栽培系統，并進行了試點應用，最終取得了較好的應用效果。現筆者擬對草莓懸掛追光式立體栽培系統的具體構成及試點應用情況進行總結介紹，以供相關種植戶參考借鑒。

1 可升降立體栽培系統

本文以布置于上海農林職業技術學院五厙基地半封閉植物工廠內的可升降立體栽培系統為例進行介紹。

五厙基地半封閉植物工廠的溫室跨度為8 m，肩高為5 m，在不影響補光燈、環流風機等環控設備運行，保證升降運動安全運行的情況下，栽培槽的升降行程為3.5 m，升降速度為1.65 m/min。栽培槽系統主要由栽培槽、軸承及固定座、吊掛旋轉提升電機、懸吊鋼絲繩、花籃螺絲、分體式吊架、繞線器、安全配件、控制系統等組成，其中，鋼絲繩通過花籃螺絲固定栽培組件，當驅動電機的輸出軸進行轉動時，帶動鋼管轉動，而鋼絲繩固定于鋼管上，鋼絲繩的縮短或延長帶動栽培槽的升降運動。栽培槽的截面為梯形，底寬為150 mm、頂寬為270 mm、高度為150 mm，栽培槽的間距為80 cm。植物工廠在可見平面范圍內全部栽種草莓，每667 m2定植草莓植株達8 000株以上，與傳統栽培相比，單位面積種植株數增加39%，栽培密度顯著提升。

2 追光模式設計

在傳統的溫室栽培模式下，作物光照受太陽高度角和方位角變化的影響，其自然光照的強度和均勻度是被動的，且往往接受的是室內下層光照。因此，溫室內光照強度在垂直方向上存在明顯的差異，且與太陽角度變化和構件遮擋等因素相關。同時，對于某一特定地點，一天內太陽方位角的變化是有一定規律的。如表1所示，在不同典型節氣，太陽方位角自西向東變化明顯。基于此，筆者在懸掛式立體栽培條件下，理論上可通過調整每條栽培槽在垂直方向上的位置，使整個栽培面始終“面向”太陽輻射方向，以此提高栽培區域的光照強度，從而充分利用室內光照，即“追光”模式。

表1 上海地區草莓生長周期典型節氣主要采光時段太陽方位角變化

根據太陽方位角的變化規律，可將一天劃分為若干時間段，在不同時間段調整不同的栽培槽高度，進而使整個“天瀑”形成不同的采光面，使采光最大化。以上海地區11 月為例，根據一天中的有效采光時段，將調控的目標時間設定為每日的8 時—16 時，每日“天瀑”形態變化6次，形成6種工況。“天瀑”具體變化形態見圖1。值得注意的是，由于同一地區每日的日出日落時間及太陽方位角始終處于變化之中，故追光方案的時間段劃分并不是固定不變的。由表1 可知，冬至（12 月22 日）太陽方位角的變化最小，立冬至立春太陽方位角呈現先減小后增大的變化趨勢。因此，“天瀑”變化形態需隨著時間的變化靈活調整。

圖1 追光方案下六種“天瀑”變化形態

3 追光系統控制

栽培槽的升降運動主要通過物聯網智能環控系統（追光系統）進行操控。追光系統分為控制端和執行端，控制端包括手機APP、網頁等云平臺，執行端由智能控制模塊和栽培槽、電機等升降系統組成。當執行端收到由用戶通過云平臺下達的具體控制指令時，首先智能控制中間件將控制指令下發至目標智能控制模塊，然后由控制模塊驅動目標設備做出相應動作，完成栽培槽的升降運動。在此過程中，每條栽培槽可實現單獨控制、編組控制、執行方案控制以及在追光思路指導下的全自動運行。

3.1 手動控制模式和執行方案控制模式

手動控制模式即用戶通過平臺人為控制栽培槽的升降運動。每條栽培槽有“上升”“下降”“停止”3種狀態，用戶可通過點擊相應選項實現栽培槽的對應動作。其中，單條控制相對靈活，適用于針對少量栽培區域的農事操作，然而若要實現較為復雜的追光控制，可通過高級控制+執行方案的形式，依次對每個栽培槽設定“開”和“停”的動作（中間間隔一定時間，且由于栽培槽升降過程屬于勻速運動，可通過控制時間長短來確定其上升或下降高度，進而明確每一個栽培槽所處的位置），在制定好某個時刻多個栽培槽的控制流程后，可直接在對應時刻手動打開該流程，或設定一個執行方案，系統在每日的該時刻即可自動執行該方案，控制栽培槽升降。例如，對于圖1 的6 種“天瀑”形態追光模式，可在每個階段的開始時刻，分別制定6個執行方案，從而較為便捷地在一天之中不斷變化各栽培槽的位置，實現追光運動。

3.2 全自動控制模式

為了進一步提高控制方式的針對性，簡化控制流程，筆者設計了專用于追光的全自動控制模塊。該模塊儲存了不同地區一年當中每日的日出和日落時間數據，用戶在選擇地理位置后，系統會自動調取該地的日出和日落時間，并按照前述的追光思路，從日出時間開始，每隔1 h 自動調整各栽培槽的位置，使由各栽培槽組成的平面始終面向太陽輻射方向，地理位置的選擇也提高了系統的普適性。在開啟自動追光控制后，用戶無需其他操作，系統將每日自動執行追光控制。與手動控制模式等相比，全自動控制模式在符合圖1的6種“天瀑”形態追光模式的基礎上，進一步細化了每個時間段內部的形態變化，使“天瀑”平面與太陽方位角的對應性更強。

4 草莓懸掛追光式立體栽培系統的試點運行

4.1 測試點布置

為驗證草莓懸掛追光式立體栽培系統的具體應用效果，筆者在上海農林職業技術學院五厙基地的半封閉植物工廠內進行了該系統的試點應用。筆者選擇溫室中部三跨進行追光試驗，試驗期間，利用高級控制+執行方案的形式，實現栽培槽的追光布置，并測定室內光環境特征。其中，試驗組1位于整個溫室自東向西第3 跨，此跨自東向西第1、3、5、7、9、10條栽培槽上各布置1個太陽輻射傳感器，均位于栽培槽中部，分別編號為1-1、1-3、1-5、1-7、1-9和1-10，具體見圖2；試驗組2 位于整個溫室自東向西第4跨，此跨10條栽培槽上各布置1個太陽輻射傳感器，均位于栽培槽中部，分別編號為2-1 至2-10；對照組位于整個溫室自東向西第5跨，此跨自東向西第1、5、9 條栽培槽上各布置1 個太陽輻射傳感器，均位于栽培槽中部，分別編號為C-1、C-5、C-9。光照強度測定使用NTT-JYZ01 太陽總輻射傳感器，其光譜范圍為300～3 000 nm，信號范圍為0～2 000 W/m2，靈敏度為7 ～14 μV/（W/m2），非線性≤5% ；太陽輻射傳感器數據自動記錄并上傳至云平臺，每隔5 min 采集并記錄1 次數據，通過云平臺可直接下載數據進行分析。

圖2 太陽輻射傳感器布設編號示意

4.2 結果與分析

分別取2022 年11 月8 日和11 月11 日為典型晴天和典型陰天，這兩天均不執行追光方案，將所有栽培槽升至最高處（高3.3 m），取兩個代表性栽培槽1-3、2-4 進行分析。由圖3 可知，陰天光照強度最高不超過200 W/m2，平均值約為60 W/m2，遠低于晴天光照，而晴天的光照強度平均值超過200 W/m2。說明在陰雨天氣，為了盡可能提高光合效率，可對草莓進行人工補光。此外，晴天光照波動大于陰天，這是由于晴天存在大量直射光，由于陰影和遮擋的存在，使不同時刻的光照強度存在較大差異。

圖3 1-3 和2-4 栽培槽在典型晴天和典型陰天的室內光照強度比較

為探究溫室內光環境的垂直分布特征，選擇3個日期相近的晴朗天氣（2022 年10 月30 日、11 月2日和11 月8 日），比較栽培槽1-3 和2-4 在不同高度處（0.6、2.1、3.3 m）的光照強度。由圖4 和圖5可知，越接近于溫室頂部，光照條件越好，而位置較低處的光照強度遠低于上部。同時，當栽培槽位于高處時，其一天中的光照強度波動更為明顯。分析其原因是，溫室中上層光照的直射光比例較高，光照受構件、設備遮擋等因素的影響較大，因而光照強度會出現較大波動。

圖4 1-3 栽培槽在不同高度處的光照強度比較

圖5 2-4 栽培槽在不同高度處的光照強度比較

為探明草莓懸掛追光式立體栽培系統的光照強度提升情況，將兩試驗組各取的3條栽培槽，與對照組的C-0 進行比較。由圖6 和圖7 可知，在大部分時間段內，兩個試驗組的光照強度均高于對照，特別是在草莓光合效率較高的上午，試驗組遠高于對照。此外，兩個試驗組在執行追光方案時，由于各栽培槽的高度不同，會對彼此產生遮擋影響，例如，上午2-1 栽培槽會受到東邊試驗組已升起栽培槽的影響，導致2-1栽培槽的光照強度較同組其他栽培槽偏低，而在下午，由于“天瀑”形狀相反，則2-1 栽培槽的光照強度又會偏高，但即便如此，2-1 栽培槽的光照強度仍高于對照，也高于草莓光飽和點。由表2 可知，試驗組栽培槽的日平均光照強度要高出對照33.0%～53.0%，表明草莓懸掛追光式立體栽培系統可有效改善光環境。

圖6 追光模式下試驗組1 栽培槽與對照組的光照強度比較

圖7 追光模式下試驗組2 栽培槽與對照組的光照強度比較

表2 草莓懸掛追光式立體栽培系統不同栽培槽的日平均光照強度

5 結束語

光照是影響植物生長發育、植株形態形成、光合產物積累的重要環境因子，尤其是對設施栽培草莓的葉片光合速率和果實產量與品質有著重要影響。相關研究表明，光照強度對結果期草莓的葉片光合速率具有顯著影響，光合速率在光照強度為260～320 W/m2之間達到峰值，且葉片水勢越高，光照強度對光合速率的影響越明顯[10]。林曉等[11]對立體栽培草莓的光溫效應和生長發育的研究發現，雙H 架下層草莓早期產量僅為上層草莓的43%，差異達極顯著水平；A字架遮陽效果不明顯，但上下層草莓產量仍存在差異，表明草莓早期產量與光照強度顯著相關。鐘霈霖等[12]研究發現，強光可有效促進草莓果實中維生素C 和總糖的合成，中強光可促進糖分積累。以上研究均表明，高效利用自然光照是溫室或半封閉植物工廠草莓栽培需要考慮的重要因素。

草莓屬于喜光作物，又具有較強的耐蔭性，其光補償點通常為20～40 W/m2，光飽和點通常為90～150 W/m2，但二者并不是固定值，往往受溫度、濕度、CO2濃度等外界環境因素的影響，通常上午葉片光合效率更高，中午存在“午休”現象，故從光能利用的角度考慮，應盡可能保證上午及下午的光照強度[13-14]。長三角地區進入冬季以后，日照時間逐漸變短，光照強度逐漸變弱，易出現設施內光照不足和光環境不穩定等現象，從而導致草莓花芽分化數量減少、果實品質變劣和產量下降等問題。在本研究的草莓懸掛追光式立體栽培系統的試點應用過程中，在陰天，試點溫室內光照強度低于光飽和點，可通過人工補光進行補充；在晴天，試點溫室內未進行追光的普通栽培區域，其全天光照值也均未達到光飽和點，說明試點溫室對光照的利用并不充分，應通過追光式栽培槽布置，調節各栽培槽的高度，來形成一定規律的栽培面形狀，從而使溫室內絕大部分時間段（特別是上午）的光照強度處于光飽和點以上，進而延長高效光照時間，將自然光輻射的利用達到最大化。因此，從光環境的角度出發，筆者研發的草莓懸掛追光式立體栽培系統對促進草莓冬季生長發育、提高草莓產量和品質有積極作用。

值得注意的是，由于不同環境因子之間的作用是相互的，草莓的產量和品質同樣受到多種因素的共同作用。因此，在應用草莓懸掛追光式立體栽培系統的前提下，探討溫度、空氣濕度等環境因子的變化規律，進一步優化栽培槽布局，使之更符合草莓生長發育的實際需求，是草莓懸掛追光式立體栽培系統的進一步研究方向。